【48812】面向射频集成电路的负电容和负电感元件

　　电容和负电感是一类特别的电路元件，具有与传统正电容和正电感元件天壤之别的阻抗特性，可使电路的阻抗匹配带宽打破传统的共轭匹配极限，完成宽带阻抗匹配。将其运用于射频集成电路，可明显进步体系功能。现有的负电容和负电感元件是经过多阶晶体管的有源电路完成的，但一起也存在一些问题，比方：引入了晶体管的直流功耗；约束了射频集成电路的高频功能；在有源电路中，晶体管的偏置电路还会添加电路规划的复杂度。这为射频电路体系的进一步集成带来了应战。

　　针对以上问题，清华大学电子工程系李越副教授团队提出了在扶引电磁波的波导中集成介质薄膜以完成负电容和负电感的办法。经过在波导中集成不同色散特性与几许尺度的介质薄膜，完成了4种不同的色散类型，即正常数色散、负常数色散、正德鲁德（Drude）色散、负德鲁德色散，然后构建了与波导具有不一样衔接办法（串联或并联）的电容和电感元件，这中心还包含负电容和负电感元件（见图1）。

　　详细而言，关于介质薄膜与波导的介电常数差值Δε，当该差值是正值常数时，即为正常数色散，可完成并联的负电感元件；当该差值是负值常数时，即为负常数色散，可完成并联的正电感元件；当该差值契合德鲁德模型所描绘的曲线Δε= Const.×( 1-ω 02 /ω 2 )，Const.是大于0的常数时，即为正德鲁德色散，可完成并联的正电容元件；当该差值与德鲁德模型所描绘的曲线正负相反（即Const.是小于0的常数）时，即为负德鲁德色散，可完成并联的负电容元件。关于介质薄膜与波导的磁导率差值Δμ，当该差值是正值常数时，即为正常数色散，可完成串联的负电容元件；当该差值是负值常数时，即为负常数色散，可完成串联的正电容元件；当该差值契合德鲁德模型所描绘的曲线Δμ = Const.×(1-ω 0 2 /ω 2 )，Const.是大于0的常数时，即为正德鲁德色散，可完成串联的正电感元件；当该差值与德鲁德模型所描绘的曲线正负相反（即Const.是小于0的常数）时，即为负德鲁德色散，可完成串联的负电感元件。

　　团队进一步经过试验验证了负电容和负电感的匹配作用。试验选用负电感对正电感进行阻抗匹配，可完成41.36%的阻抗匹配带宽，透射系数大于0.707；作为比照，选用正电容对正电感进行阻抗共轭匹配，只能在13.62%的带宽内完成透射系数大于0.707的阻抗匹配（见图2）。该试验成果证明了负电容和负电感的宽带阻抗匹配优势及其在射频集成电路中的运用潜力。

　　团队规划了波导集成的负电容和负电感集总元件，并运用负电感在电路中完成了超越传统正电感元件3倍以上的阻抗匹配带宽。该规划具有集成度高、结构相比照较简单等功能优势，为宽频带、低损耗的射频集成电路规划供给了新思路。研究成果以《根据负电容和负电感完成的宽带波导超构电路》（Negative Capacitors and Inductors Enabling Wideband Waveguide Metatronics）为题发表于期刊《天然• 通讯》。此外，团队还将负电容和负电感元件的规划办法运用于不同频段和不一样的品种的传输线中。例如，在太赫兹频段的硅基介质波导中完成了负电容和负电感元件，验证了负电容和负电感规划办法的普适性，为射频集成电路未来向高频率、高速率、高集成度开展供给了新的元件规划方案。

　　称谢：感谢国家天然科学基金优秀青年科学基金项目（同意号：62022045）、联合基金重点项目（同意号：U22B2016）的支撑。